正渗透汲取剂及其分离回收工艺研究进展

现阶段，能源紧张、水资源短缺与废水污染治理深层次问题的凸显，使得废水处理新技术及工艺的研发持续成为研究热点[1]。其中，膜分离技术已在节能减排、清洁生产、资源回收等方面展现了明显的技术优势，已逐渐成为各行业水处理与回用首选技术，也是当前和未来水质净化处理的发展方向和必然趋势[2-3]。从1960年至今，膜技术已发展到第3阶段（1990年至今），即发展到以追求低能耗、高分离效率、环境友好、绿色能源（太阳能、风能、潮汐能）利用等为目标的膜技术革新阶段，涉及到制膜技术的进步、创新集成膜工艺的开发与利用等。中国也从最初的研发参与国发展到膜技术的研究与应用大国。第3阶段中有代表性的创新膜技术主要是具有低能耗、低环境影响负荷特点的正渗透（FO）、膜蒸馏（MD）等膜分离技术。FO技术是一种依靠溶液自身的渗透压作为驱动力的低能耗、低污染的新型膜分离工艺。近年来，以其特有的优势引起国内外研究者的广泛关注，在美国、新加坡、欧洲等国家和地区已得到大量研究[4-5]。FO是指利用膜两侧溶液的渗透压差作为驱动力，使水自发地从较高水化学势（或较低渗透压）一侧通过选择透过性膜流向较低水化学势（或较高渗透压）一侧的过程。膜两侧的溶液分别为具有较低渗透压的原料液（FS）和具有较高渗透压的汲取液（DS）。选择透过性膜允许水通过而截留溶质分子或离子，水从FS一侧透过选择透过性膜到达DS一侧，从而使FS被浓缩，DS被稀释[4]。具有高渗透压汲取剂的选择及回收方法是FO技术研究与应用的关键核心问题之一，是实现FO技术大规模商业应用的关键。本文叙述了目前FO技术研究中汲取剂的种类、特性及其分离回收工艺，并总结了高效汲取剂的选择标准，旨在为FO技术的深入研究和应用提供有价值的信息。DS，即汲取剂的水溶液，为FO系统提供直接驱动力，是FO过程的关键组成部分。自20世纪60年代以来，人们提出了多种汲取剂并对其性能进行相关研究[6]。表1总结了FO研究中所选用的汲取剂。按汲取剂的性质可大致分为无机型、有机型和磁性汲取剂。大多数的FO研究以无机化合物作为汲取剂。Batchelder最早以挥发性溶质SO2的水溶液作为汲取剂进行FO海水脱盐[7]。2005年，耶鲁大学Elimelech团队提出一种新型的碳酸氢铵汲取剂。McCutcheon等研究发现，高溶解性的NH4HCO3溶液能够产生高渗透压，从而获得高水通量和回收率[17]。经温和加热李洁，王军，白羽，李国亮，侯得印，栾兆坤（中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室，北京100085）叙述了正渗透工艺研究中汲取剂的种类、特性及其分离回收工艺，并总结了高效汲取剂的选择标准，旨在为正渗透技术的深入研究和应用领域开拓提供参考。具有高渗透压汲取剂的选择及回收方法是正渗透技术研究与应用的关键核心问题之一。认为目前国内正渗透技术的研究仍处于探索性的消化吸收阶段，在汲取剂选择及分离回收工艺优化等方面需要深入研究。正渗透；汲取剂；分离回收工艺TQ028.8A1000-3770(2014)01-0016-008收稿日期：2013-07-11基金项目：国家自然科学基金（51378491，21307149）作者简介：李洁（1988－），女，硕士研究生，研究方向为膜法水处理技术；联系电话：010-62849198；电子邮件：lijieifk@126.com联系作者：王军，副研究员；联系电话：13488802757；电子邮件：junwang@rcees.ac.cn第40卷第1期2014年1月Vol.40No.1Jan.,201416网络出版时间：2014-01-0720:28网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1127.P.20140107.2028.004.html后即可分解为NH3和CO2，易于实现汲取剂的分离。进一步的研究表明，FO通量为3.6～36L/(m2·h)，截盐率达95%～99%，对高含盐FS的脱盐效果较好，并且DS含量对内浓差极化现象（ICP）具有重要作用，进而对FO通量行为产生显著影响[42]。Ng等研究发现，在50℃条件下，36.6gNH4HCO3溶解于100g水中有轻微浑浊，且有气泡冒出，说明NH4HCO3发生分解[43]。因此在FO过程中，能否维持该汲取剂的稳定性以保证足够高的理想渗透压尚存在疑问。一些研究者进一步开展了关于无机汲取剂的综合性研究。Achilli等建立了无机型FO汲取剂的筛选方法，对14种无机汲取剂进行实验室模拟分析，结果表明，汲取剂特性不同，针对FO的特定应用目的来筛选汲取剂是十分必要的，并提出MgCl2溶液是较有研究价值的无机型汲取剂[44]。Tan等研究了7种汲取剂在FO-NF组合工艺中的性能，结果表明，各汲取剂的FO过程截盐率均达到99.4%，MgS